CN103282979A - 电磁调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁调节装置，其具有可作为对用工作电流给线圈单元通电的反应相对于预固定的铁芯单元沿轴向移动一个运动行程的衔铁单元，该衔铁单元轴向的一端通过至少部分地沿移动行程轴向搭接的控制区域与铁芯单元磁性地共同作用，该控制区域具有作为衔铁单元的区段的第一型材区段，具有作为铁芯单元的区段的第二型材区段，并且在第一和第二型材区段之间形成一个垂直于轴向延伸的气隙。按本发明规定，为了用工作电流通电流过气隙的磁通，第一和第二型材区段的对磁通有效的横截面构造为，使得作为对通过相对轴向倾斜和/或偏移引起的气隙长度缩短的反应，第一和/或第二型材区段在缩短的区域内的磁阻提高，尤其经历磁饱和，并且将抵抗倾斜或偏移的力作用到衔铁单元上。

Description

电磁调节装置

技术领域

本发明涉及一种按独立权利要求1前序部分所述的电磁调节装置。

背景技术

这种装置例如是从DE19848919A1中已知的电磁阀装置。作为给(固定的)线圈单元通电的反应，径向对称地在线圈内部导引的衔铁单元移动并且打开或关闭用于待控制的流体的阀座。

在此(主要具有圆柱形衔铁主体的)衔铁单元相对固定的铁芯单元沿轴向运动，该铁芯单元是磁回路的一部分并且通过其结构方案影响衔铁单元的运动性能，尤其是衔铁磁力。现有技术中所称的用于影响衔铁在(可运动的)衔铁单元和(固定的)铁芯单元之间的过渡区域内运动的运动性能或力的变化曲线的装置具体地表示为所谓的控制锥形区域(控制区域)，该控制锥形区域沿轴向在衔铁行程的区域内(即，刚好在衔铁单元与铁芯单元松脱的区域)影响在衔铁单元、铁芯单元和其他参与的磁回路元件之间的磁回路中的磁通。

从DE19848919A1中已知的控制锥，在此以一端在衔铁端面上环绕的、向外削平的环形凸肩和在铁芯单元侧面的相应的(径向)内部的造型(Einformung)形式，致使此处例如衔铁磁力在所述的启动行程区域中增大：通过所示的在衔铁单元和铁芯区域之间的搭接，铁芯和衔铁必要的磁势由于绕组的通电而减小，相对所谓的平锥，即，在衔铁单元和铁芯单元之间的过渡的、无轴向搭接或工作气隙缩短的结构。相应地，磁通的磁场线通过轴向的搭接而优先闭合，因此，磁力在该衔铁启动行程区域内有针对性地提高。

通过该控制区域(控制锥形区域)的合适的结构方案，例如预先给定有效的轴向搭接，可以有针对性地影响（例如均匀地或逐点地加强或削弱）衔铁单元的运动性能，尤其是磁力沿移动行程(运动位移)的变化曲线。

当然，假设已知的衔铁单元和控制单元在控制区域内的轴向搭接也带来潜在缺点，尤其是在这样设计的电磁调节装置的耐磨特性或耐用特性方面。因此，即，通过形成控制区域的型材区段在衔铁侧或铁芯侧的轴向搭接，除了产生对衔铁运动重要的轴向磁通变化外，也会产生磁通变化的径向分量(或垂直于轴向的法向分量)，通过形成于型材区段彼此对置的壁之间的气隙。该(在径向对称布置时径向的)磁力分量引起不利的横向磁力，该横向磁力在实践中或尤其与频繁的运动循环或长的工作时间有关地不利地作用。因此，虽然衔铁和铁芯彼此精确地对准，这种对准分别通过径向的磁力分量产生的横向力在中央被抵消并因此造成补偿。但在制造和运行实践中，这不能实现。而要观察效果，(必要地以径向间隙支承的)衔铁单元在周围导向装置内部(在现有间隙的框架内)易于倾斜，其中，这种效果例如通过未完全在中央作用在衔铁单元上的压力弹簧或类似的影响而附加地增强，此外，制造公差和其他效果起到重要的作用。

因此，这种在间隙配合的框架内在衔铁导向装置内倾斜的衔铁单元(以在衔铁导向装置的各内部位置上沿直径的两点支承的方式)首先导致，铁芯单元和衔铁单元(并且形成控制区域的型材区段因此)不再精确地对准，因此形成沿周向移动的大的径向气隙(更准确地说：环绕气隙的区段)。

在给线圈单元通电并由此引起在控制区域内的磁势时，在不同宽度的气隙位置中相应地产生不同大小的横向磁力：小的径向气隙产生相对大的横向磁力，相应地大的径向气隙区段产生小的横向磁力。因此，这些力不再沿径向补偿，从而合成的(径向的)横向力沿最小气隙的方向形成。

这以法向力作用到(间隙支承的)衔铁单元上并且与来自衔铁单元(或设置在衔铁单元上的衔铁滑动涂层)以及衔铁导向装置的摩擦学系统的摩擦系数相应地产生不利的静摩擦力或滑动摩擦力.

这首先不利地影响磁铁的力平衡并且引起(不必要)增大的磁力需求，因此更大的磁铁结构空间。

在要求较高寿命(一般大于一亿开关周期)的电磁开关装置中所述的较高的横向磁力(法向力)附加地产生对摩擦副不利的较高的面压力并且由此加速其摩擦学的磨损。这例如在气动调节应用(例如气动阀)中是特别严重的，因为此处未作用有减少磨损的润滑等。

结果，尤其在衔铁单元以其他已知的方式设有由聚四氟乙烯或MoS₂制成的滑动涂层并且不使用(本身又耗费的)滑动薄膜导引衔铁时，正好在结构尺寸以及能量消耗方面优化的、具有控制锥形区域的系统会提早失灵。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种按本发明类型的在其使用性能以及耐磨性能方面改进的电磁调节装置，该电磁调节装置减少尤其是不利的、促使衔铁单元倾斜的横向力或法向力，并因此在具有轴向搭接的控制区域的系统的框架内，将有利的磁运动性能和能量优化与防止由不利摩擦引起的不期望的磨损相结合。

该技术问题通过具有主权利要求的特征的电磁调节装置解决；在本发明的框架内独立的保护通过按权利要求9所述的应用以及按权利要求10所述的方法来要求。本发明有利的扩展设计在各从属权利要求中描述。

按本发明的有利方式，在衔铁单元与铁芯单元之间的控制区域(控制锥形区域)通过将第一或第二型材区段的对磁通有效的横截面的结构方案设置为，使得在一般的、促使衔铁单元运动的、线圈单元的工作电流下实现调节作用方式的磁通补偿和力补偿。更准确地说，按本发明，型材区段构造为，使得在对应的(径向的)气隙的第一区域内倾斜或偏移的情况下通过为对应的、与缩短的气隙相应地增大的磁通(磁势)增大该区域内的磁阻力来补偿增大的横向力(法向力)。一般，在此型材区段的对磁通有效的材料横截面构造为，使得在衔铁单元在气隙的(径向的)狭窄区域内相应倾斜的状态下通过在此存在的增大的磁势导致饱和，因此形成对磁通有效的磁阻，然后该磁阻导致，磁势(回)移置或转移到气隙的其他区域内。然后这具有直接减小不利的法向力或横向力的作用，同时有利地造成更小的摩擦、相应更少的能量消耗和减少的磨损。

在要优选使用的径向对称的系统的框架内(亦即，衔铁单元在包围它的线圈单元的内部导引，其中，衔铁单元以及铁芯单元在端侧分别形成环绕的突起或凹处形式的型材区段)按本发明的原理导致在通常的运动典型的用于线圈单元的工作电流中有效地将产生横向力的磁通从最短气隙的区域转移到其他区域内，因为磁饱和作用(相应补偿性地)提供一个更大的磁阻。

因此，按本发明的原理可以通过型材区段适合的结构实现，因此该结构与在一般工作状态下要期待的磁势匹配地设计成，使得它在径向对置的最小化的气隙中有针对性地经历磁通-磁阻增大(或饱和)。

因此建议，给第一和第二型材区段的纵剖面提供(具有按扩展设计适合的圆锥倾角的)齿轮或凸轮形状，该齿轮或凸轮形状在有利的径向对称的结构中相应地为环形突起(或与相应匹配的环形槽共同作用)。因此，此处根据各要求优化，其中，例如平锥角具有本身更小的横向力的优点，但同时因此有效的轴向覆盖区域也更小。

此外，通常有利的是，型材区段关于中轴线倾斜设置的壁区段的各圆锥角设计成，使得它们(相对衔铁单元未倾斜或未偏转的中间位置)彼此平行地延伸，也就是说具有相同的角度(或在制造公差的范围内，作为差值不超过一般是5°的最大角度)。

设计成所谓的内锥已证实是特别有利的。铁芯单元狭窄的锥形环(作为第二型材区段)插入到在衔铁单元端侧的末端上的、位于内部的环形凸肩(锥形凸肩)中，该锥形环由于其对磁通有效的横截面结构而倾向于在更小的磁势中进入磁饱和。通过狭窄的锥形的环形凸肩，对应的衔铁区段敏感地对磁势中的变化起反应并且按前述的作用机制产生抑制衔铁不利的倾斜的、补偿的(竖直的)磁力。

结果，通过本发明以有利的方式减少在衔铁单元与衔铁导向装置之间不利的摩擦，以便优化能量和磁力并且抑制磨损。对于在实践中实现而言特别有利的是，通过(传统的)聚四氟乙烯或MoS₂滑动涂层实现对电磁调节装置，例如阀装置的高的寿命要求，该阀装置达到一亿或更多的开关周期的范围，而无需单独的、附加的耗费的措施。因此，在本发明的框架内特别有利并且按扩展设计有用的是，(圆柱形的)衔铁单元的外周面不必在用于实现所谓的滑动薄膜轴承的滑动薄膜中导引。不仅减少了附加的构件技术和制造技术的耗费(使用这种滑动薄膜也在装配中产生附加的耗费)，也有效地避免，通过滑动薄膜(或其厚度)不必要地扩大在磁装置的磁轭区域内的寄生气隙，这又具有更差磁效率的缺点。

因此，本发明以有利的方式适合用于例如实现阀装置，进一步优选气动阀装置，但并不限于该应用领域。而本发明的优点可以有利地用在电磁调节装置的所有实施形式中，其中(结构或间隙限制地)在衔铁导向装置中的倾斜或偏移引起不利的摩擦或磨损并且可以确定本来用于在控制区域(控制锥形区域)内影响磁力变化的型材元件的尺寸并且使用该型材元件以便实现按本发明的有利的补偿性能。

附图说明

本发明的其他优点、特点和细节从优选实施例的下列说明中并且根据附图获得，附图中：

图1是通过按本发明第一种实施形式的电磁调节装置的主要的磁功能构件的半个纵剖面的简略图；

图2是控制区域的详细图，具有衔铁单元或铁芯单元相互对置的型材区段以及标出的用于模拟的测量点；

图3是通过用于阐述本发明的应用背景的电磁调节装置实现的2/2换向阀的纵剖面图；

图4是与图1相似的用于阐述相对图1的实施形式控制区域的型材区段不利的结构方案的半个纵剖面图，以及

图5是图1的实施例与图4的对比例的力-位移曲线形式的对比图。

具体实施方式

图3阐述本发明的应用背景；示出一种在结构上不同的已知2/2换向阀，该换向阀使用在汽车领域中，并且在衔铁单元和锥形单元之间共同作用情况下设有锥形控制装置。

更进一步说，图3的实施例示出壳体10，该实施例在应用背景下在控制区域之外的特征应当视为属于本发明公开的内容，该壳体10承载固定在线圈架12上的固定绕组14。在空心圆柱形的、容纳衔铁导向管16的装置内部，沿运动纵轴线18导引一个衔铁单元20，该衔铁单元20具有圆柱形的外轮廓，克服压力弹簧22的力被固定的铁芯区域24沿轴向支承，反向于铁芯区域24地具有阀-橡胶垫片26，该阀-橡胶垫片26设计用于关闭阀座28，作为对衔铁单元20的轴向运动的反应。阀作用形成于供给接头30和工作接头32之间。衔铁单元20的外周面以其他已知的方式具有聚四氟乙烯或MoS₂滑动涂层；但没有用于支承衔铁单元的滑动薄膜。

作为给绕组14通电的反应，衔铁单元20沿运动纵轴线18沿垂向(图3中Z)运动。相应地标出与该轴线18正交的方向X，Y。

在铁芯单元24和局部区段空心圆柱形的衔铁单元20之间的磁过渡的控制区域(控制锥形区域)在图1的放大的半个纵剖面视图中示出，其中，与图1直接对比，图4的实施例示出一个未按本发明优化的和不利的控制区域。

具体地，在图1的优选结构方案中铁芯区域具有从铁芯单元24的啮合侧端面伸出的环形突起34，该环形突起34相对于衔铁单元20的对应的啮合侧的端部区域的位于内部的环形凸肩36设置为更靠近轴线18。

如该控制区域的图2的局部放大图，在衔铁单元向右(或顺时针)倾斜的状态下，与之相关地示出，环形突起34的外侧面和环形槽36的内侧面均相对纵轴线18倾斜约8°的圆锥角(其中，在本发明的框架内，已证实在3°到40°之间，优选5°到20°之间，进一步优选7°到15°之间的角度是有利且优选的)。此外，在本发明的框架内，该圆锥角设计成相等的，因此在衔铁单元的中间位置中(亦即，未倾斜，与图2的图示相反)侧面夹角一致。

现在，按本发明有利地将一体式设计的环绕的锥形的突起34构造为，使得若该气隙(在图2中是40')在左侧区域内变得很狭窄，由此磁势在该区域内并且通过突起34的对应区段提高，则在一般的工作电流时通过线圈单元12，14(或由此在到衔铁单元的过渡区域内，尤其在垂直的气隙40中出现的磁势)进入饱和，以此然后由于比较窄的环直径，此处优先进行饱和。因此，这按本发明有利地致使，例如在(径向)对置的、右侧的区域内磁势通过此处的气隙区域40"增大，由于在环形突起34的左侧区域内的饱和，磁通转移或移置到该区域之外。

结果，沿箭头42(图2)的补偿的力作用相应地是引回竖直或倾斜的横向(垂直)于纵轴线18的力分量。因此，此处专门设计用于引起饱和的环形突起34作为铁芯单元的型材区段形成在按技术问题要克服或减小的横向力方面用于调节或补偿的系统的基础。而图4对比例，以铁芯侧的型材区段44和对应的衔铁侧的环形凸肩46说明，(由区段44的对磁通有效的更大的横截面决定)在工作条件(一般的用于线圈单元的工作电流)下，在区段44中不出现饱和，因此在区段44，46之间的垂直气隙中的磁通密度以最小的倾斜距离出现并且也在该位置中稳定。从而此处导致不利的大的摩擦力。

下列表格1说明：

与图5有关，是图1、图4对比的力-位移曲线，不利的横向力可以如何有效地减小；表格1的测量值在此来源于具有根据图2中的位置A至H的衔铁倾斜位置的三维模拟。直接比较图1的锥形结构方案与图4的对比例，已证实(在衔铁沿X-轴线的方向倾斜位置中)，即在短的和相对长的衔铁行程(0.15mm或0.8mm)中均可以实现减小衔铁约30%的横向力或竖直的磁力(正的符号)。

本发明不限于所示的具体结构方案，而还存在大量方式和可能性，在本发明的框架下通过锥侧的以及衔铁侧的端部区段适合的断面而形成控制区域。在此，例如可以反转图2的轮廓(在铁芯侧的环形突起位于径向内部)，正如在衔铁侧(或两侧)可以具有相应地为快速磁饱和而优化的断面。此外，在图1、图2的此实施例中，端侧-外周侧的、外部环绕的环形凸肩50业已表明是有利的，因为通过该凸肩50可以附加地减小在包围的衔铁导向装置上不利的摩擦。

Claims (10)

1.一种电磁调节装置，其具有

能够作为对用工作电流给线圈单元通电的反应相对于固定的铁芯单元沿轴向移动一个运动行程的衔铁单元，该衔铁单元的轴向一端与所述铁芯单元磁性地通过至少部分地沿移动行程轴向搭接的控制区域共同作用，所述控制区域具有作为所述衔铁单元的区段的第一型材区段和作为所述铁芯单元的区段的第二型材区段，并且在所述第一和第二型材区段之间形成一个垂直于轴向延伸的气隙，

其特征在于，这样地构造所述第一和第二型材区段的对磁通有效的横截面以便用所述工作电流通电流过所述气隙的磁通，使得作为对于由所述衔铁单元相对所述轴向的倾斜和/或偏移引起的气隙长度缩短的反应所述第一和/或第二型材区段在缩短区域内的磁阻增大，尤其经历磁饱和，并且抵抗所述倾斜或偏移的力作用到所述衔铁单元上。

2.按权利要求1所述的装置，

其特征在于，所述衔铁单元和所述铁芯单元径向对称地围绕沿轴向延伸的中轴线构造，并且所述第一和/或所述第二型材区段优选一体式地突出衔铁主体或铁芯主体，并且径向环绕地构造，

其中，径向地在所述第一和第二型材区段之间环绕的气隙由于所述倾斜或偏移而在第一气隙区域内缩短并在关于所述中轴线对置的气隙区域内扩宽。

3.按权利要求1或2所述的装置，

其特征在于，所述第一和/或第二型材区段的纵剖面具有齿轮和/或凸轮形状，该齿轮和/或凸轮形状在所述衔铁和铁芯单元径向对称的构造时设计成轴向的环形突起。

4.按权利要求1至3之一所述的装置，

其特征在于，所述第一和第二型材区段由锥形地相对于所述轴向倾斜的壁区段限制所述气隙的边界。

5.按权利要求4所述的装置，

其特征在于，所述第一或第二型材区段的壁区段的圆锥角构造为，使得在所述衔铁单元的未倾斜或偏移的中间位置中，所述壁区段相互平行地延伸和/或在所述壁区段之间形成的角度小于5°，优选小于3°。

6.按权利要求1至5之一所述的装置，

其特征在于，所述型材区段之一设计成径向环绕的、纵剖面锥形的环形突起，该环形突起与设计成径向环绕的D/r、锥形的G/r环形槽和/或环形凸肩的另一个型材区段共同作用。

7.按权利要求1至6之一所述的装置，

其特征在于，所述衔铁单元具有锥形的位于内部的环形凸肩以便形成所述第一型材区段并且在外周面朝所述铁芯单元的方向构造环绕的另一个环形凸肩。

8.按权利要求1至7之一所述的装置，

其特征在于，所述具有圆柱形衔铁主体的衔铁单元不具有挺杆导向装置或挺杆支承装置和/或在外周面未支承有薄膜器件，尤其是滑动薄膜。

9.一种用按权利要求1至8之一所述的电磁调节装置来实现阀装置、尤其是气动阀装置的应用，其中，通过移动所述衔铁单元控制磁通。

10.一种用于运行按权利要求1至8之一所述的电磁调节装置或作为按权利要求9所述的气动阀装置的方法，

其特征在于，该方法包括如下步骤：

-给所述线圈单元通电以促使衔铁单元沿轴向运动，

-在衔铁单元和铁芯单元在所述控制区域内轴向搭接时，在所述衔铁单元上作用一个抵抗从轴向倾斜或偏移的力，尤其是横向力或法向力。

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